磁通門傳感器探頭溫度特性研究

齊侃侃,石 超,呂 冰

(宜昌測試技術研究所,湖北 宜昌 443003)

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磁通門傳感器探頭溫度特性研究

齊侃侃,石 超*,呂 冰

(宜昌測試技術研究所,湖北 宜昌 443003)

磁通門傳感器主要由磁探頭與電路部分組成,其輸出不僅隨磁場變化,而且易受溫度的影響。為了確定磁通門傳感器磁探頭在寬溫度范圍下的溫度漂移情況,通過試驗將探頭置于-40 ℃～150 ℃的溫度環境下,記錄得到探頭在寬溫度范圍下,其溫度特性曲線近似為正比線性關系。分析認為,磁芯磁滯回線受熱偏移與線圈漆包線隨溫度熱脹冷縮是磁探頭溫漂的主要原因。本文提出選用低磁導率磁芯和高溫漆包線繞制探頭,并優選一致性較好的探頭,采用最小二乘法對溫度漂移結果進行擬合補償,有效地消除了溫度對磁探頭的影響,提高了磁通門傳感器的溫度穩定性與應用的廣泛性。

磁通門傳感器;溫度漂移;溫度補償;最小二乘法

磁通門傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、分辨力高、抗震性好、便于與系統聯機配套等優點,因而得到了廣泛的應用。在3 km以下的深井探測中,由于地底溫度從300 m以下開始,高度每下降100 m,溫度升高約3.3 ℃,因此磁通門傳感器的環境溫度將發生很大變化。目前國產大多數磁通門傳感器高溫只能達到85 ℃,且工作溫度范圍較小,國內對高溫磁探測的研究較少。國外少數產品可以滿足要求,但價格昂貴。

當磁通門傳感器用于深井探測時,環境溫度發生較大的變化,磁傳感器的溫度漂移會直接影響測量數據的準確性。國外針對磁通門傳感器的溫度補償方法主要有以下方法,在信號輸出電路上接上與探頭相同的線圈實現探頭的溫度補償[1],在電路中加入線圈,帶入電容與電感,使得電路復雜;根據線圈在磁場中的溫度系數補償輸出結果[2],沒有考慮磁芯的影響,補償結果不準確等等。本文從測試的結果出發,直接補償擬合輸出值,簡單直接準確。除了使用低溫度漂移的元器件,減小電路溫漂誤差外,文章詳細研究了磁通門傳感器探頭的溫度特性,結合探頭結構原理與最終測試結果,系統分析了探頭的溫漂原因,并采用最小二乘法對磁探頭的溫度漂移誤差進行擬合補償。測試與分析結果具有較強的說服力,對工程應用有較大的參考意義。

1 磁通門探頭的工作原理

磁通門探頭的基本原理服從法拉第電磁感應定律。本文磁通門探頭選用雙磁芯結構,如圖1所示[3-5]。它由激勵線圈、感應線圈和磁芯構成,兩根磁芯上纏繞的激磁線圈反向串聯,兩磁芯中的激磁磁場方向在任一瞬間都是空間反向的。周期性激勵電流Iexc產生激勵磁場,e(t)為感應電壓。

圖1 雙磁芯磁通門探頭結構示意圖

根據法拉第電磁感應定律,感應線圈的感應電動勢為

(1)

其中,W2為感應線圈匝數,H～為激勵線圈磁場強度。S為磁芯橫截面積,μ為磁芯磁導率。假設激勵線圈磁場強度為

H～=Hmcos2πf1t

(2)

式中,Hm為激磁磁場強度幅值,f1為激勵電源頻率。

由于磁芯磁導率曲線是非線性的,激勵磁場瞬時值的周期性變化會引起磁導率μ(t)的變化[6]。μ(t)無正負之分,為時間的偶函數,將μ(t)展開為傅立葉級數,則感應電勢e的展開式將出現奇次諧波分量。假設外界環境磁場為H0,則作用于磁芯軸向上的磁場除了激勵磁場外還有外界磁場H0?？紤]外界磁場H0時公式變成如下所示

(3)

由于作用于磁芯軸向方向的外界磁場分量H0比激勵磁場強度的幅值Hm和磁芯飽和磁場強度Hs都小很多,可以忽略H0對磁芯磁導率μ(t)的影響。公式中的最后一項為外界磁場H0所引起的感應電勢e的增量e(H0)。將磁芯磁導率μ(t)的傅立葉級數形式代入。在理想情況下,兩個磁芯形狀尺寸和電磁參數完全對稱,激磁磁場在感應線圈中的感應電動勢互相抵消,但是環境磁場在兩個磁芯軸向的分量是同向的。差分式探頭感應線圈的輸出電動勢為單磁芯的兩倍,且輸出電壓與外界磁場H0成正比關系,即

e(H0)=-4π×10-8f1N2SH0(2μ2msin4πf1t+
4μ4msin8πf1t+6μ6msin12πf1t+…)

(4)

式中,μ2m,μ4m等分別為各次諧波分量幅值。

通過上式可以看到采用二次諧波法可以測量外界的環境磁場。在設計和制作雙磁芯磁通門探頭時,應盡可能使兩根磁芯的尺寸參數保持一致,且兩個激勵線圈匝數與電阻盡量相同,從而減小不對稱帶來的噪聲。

2 磁通門傳感器探頭的溫度特性

磁通門傳感器的溫度漂移誤差較大,其中電子元器件、磁探頭磁芯材料以及由漆包線繞制的磁線圈都會受到溫度的影響,直接影響傳感器的刻度因子和零點值[6],導致測量值與真實值之間的明顯偏差,所以非常有必要了解磁通門傳感器溫度特性并進行溫漂誤差補償[7]。本文主要從磁通門傳感器探頭的角度出發,研究分析探頭的溫度漂移特性,找到探頭溫漂原因,并擬合補償漂移誤差,從而提高磁通門傳感器的測量準確性與溫度穩定性。

2.1 探頭溫度特性曲線

本文選用雙磁芯對稱結構的磁探頭,磁芯材料為非晶坡莫合金,銅漆包線。測試過程對環境要求較高,本試驗地點偏僻,環境磁場(包括地磁場)影響較小,試驗地點地磁場8 h變化約為15 nT,本次測試時間約為6 h,且相對于最終的試驗數據,其影響可以忽略,可以認為輸出變化都是溫度的變化引起。試驗中將多個繞制好的磁探頭分散水平放入無磁性高低溫溫箱中,用膠帶固定,并引出導線到外接電路板上。試驗地點地磁場約為49 000 nT,水平放置探頭,所測值為地磁場的水平分量。

試驗開始,先調節溫箱溫度從20 ℃加溫到150 ℃,然后從150 ℃降溫到-40 ℃,再從-40 ℃加溫到20 ℃,溫度循環變化一個周期。通過Aglient 34970采集各個探頭在各個溫度點上對應的實際輸出值。常溫下設計的電壓與磁場轉換系數為100 μV/nT。將所有的探頭測試數據繪制成圖表,選取具有規律性的曲線,(注:所有磁探頭的放置位置略有不同,因此輸出電壓值不同,本文只關注溫度變化時,輸出電壓的變化量)如圖2、圖3所示。

圖2 磁通門傳感器Ⅰ探頭輸出電壓隨溫度的變化曲線

圖2中顯示,一個溫度循環周期內,輸出電壓的最小值:3.198 7 V;最大值:3.222 0 V。溫度漂移量:0.023 3 V。電壓隨溫度的變化:123 μV/℃。圖3中顯示,一個溫度循環周期內,輸出電壓的最小值:3.261 5 V;最大值:3.312 9 V。溫度漂移量:0.051 4 V。電壓隨溫度的變化:271 μV/℃。

圖3 磁通門傳感器Ⅱ探頭輸出電壓隨溫度的變化曲線

從試驗數據可以分析得到:①隨著溫度升高,磁傳感器輸出電壓(即磁感應強度)逐漸變大,溫度降低,輸出電壓逐漸減小。圖中清楚的顯示輸出電壓的溫度漂移趨勢;②試驗證明磁探頭的溫度漂移基本符合線性變化,可以采用線性擬合的補償方法減小溫度漂移;③在升溫與降溫的循環過程中,磁探頭的一致性較好,同一溫度測量值偏差較小;④在整個溫度范圍內,各個磁探頭的溫漂幅值不同。

2.2 磁探頭溫度漂移原因

本次試驗只為研究磁探頭的溫度特性,磁探頭主要由磁芯與漆包線組成,根據磁通門原理,雙磁芯探頭輸出電壓如式(4)所示。影響磁探頭輸出電壓值的主要因素是磁探頭的感應線圈匝數N2,磁芯橫截面積S,磁導率μ和激勵電源頻率f1。在溫度試驗中,感應線圈匝數不變,激勵電源頻率不變。因此,可以得到以下結論。

①由于磁芯材料具有一定的溫度系數,受熱后磁滯回線(磁芯磁滯回線數學模型復雜,確定磁滯回線的是B與H的映射關系[8-12],如圖4所示)發生偏移,矯頑力Hc與剩磁參數Br發生變化[1];

圖4 磁芯磁滯回線示意圖

②磁芯材料加工不均勻,各個探頭的磁芯特性隨溫度變化不一致;

③溫度變化時激磁線圈熱脹冷縮,導致激磁磁場不同,從而使得磁導率的變化不同。

2.3 采取的措施

首先,磁芯材料電磁性能在溫度變化時不均勻、不穩定,磁芯材料磁導率越高,電磁性能一致性越不易保證、對環境溫度越敏感而導致穩定性越差,所以在滿足其他指標要求時,不選用高磁導率材料[3];其次,選用熱粘性高溫漆包線,繞制探頭時,均勻精密,并加熱粘緊,減小漆包線隨溫度的變化形變的程度;最后,在滿足以上兩點的同時,繞制多個探頭,試驗篩選出溫度性能好,線性度好,一致性好的探頭,便于線性擬合與溫度補償。

3 磁通門探頭溫度漂移補償

由于無法得到磁通門傳感器溫度變化與其造成誤差的明確函數關系,因此需要采用多種擬合模型。曲線擬合的目的是尋找一條光滑曲線,在某種準則下最佳的擬合數據。最小二乘法具有更好的泛化性能,不易發生局部最優及過擬合現象。其他擬合方法如BP神經網絡[6],具有很強的函數逼近能力,但有著收斂速度慢、易陷入局部極小的缺點。本文選用最小二乘法擬合溫漂曲線[13],采用MATLAB軟件擬合數據[14-15]。

如圖5所示,選取探頭I試驗數據見表1。

圖5 3種溫度特性擬合曲線

表1 不同溫度磁傳感器輸出電壓值

數據擬合曲線如圖5所示。

3種擬合曲線方程:

y=0.000 14x+3.204 6;
y=-6.4×10-7x2+2.1×10-4x+3.204 5;
y=-5.4×10-9x3+2.4×10-7x2+1.9×10-4x+3.203 8;

線性擬合殘差(實際數據與擬合數據的差值)為0.015 6;二階擬合殘差為0.011;三階擬合殘差為0.010。線性擬合誤差比高階擬合誤差大,但計算量小,方程簡單。因此,實際應用中應根據需求,合理選擇擬合方法。通過曲線擬合,有效地補償了溫度引起的傳感器輸出漂移誤差,提高了傳感器輸出精度。

4 結論

本文主要研究磁傳感器雙磁芯磁探頭隨溫度變化的輸出特性,在-40 ℃和150 ℃的溫度下循環測試多組磁探頭,得到磁探頭的溫度漂移特性曲線。試驗結果表明,磁探頭輸出值隨溫度升高變大,隨溫度降低減小,在整個溫度范圍內,溫度特性曲線一致性較好,曲線呈線性變化趨勢。根據試驗結果,分析了磁探頭的溫度漂移原因,并提出了減小溫度漂移的措施。最后采用最小二乘法擬合輸出數據,提高測量精度,完成了磁傳感器磁探頭寬溫度范圍溫度特性的研究,提高了磁通門傳感器的溫度穩定性與深井探測等高溫環境的應用廣泛性。

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齊侃侃(1987-),男,碩士,主要從事磁通門傳感器研發、弱磁測量等,goodluckqkk@163.com;

石超(1982-),男,主任設計師,主要從事磁羅盤、測斜儀、磁傳感器等設計研發;

呂冰(1987-),男,碩士,主要從事磁通門傳感器、光泵等研發。

StudyonTemperatureCharacteristicofFluxgateSensorDetectors

QIKankan,SHIChao*,LüBing

(Yichang Testing Technology Research Institute,Yichang Hubei 443003,China)

Fluxgate sensor is mainly composed of detectors and circuits. Its output is changing both with the magnetic field and the environment temperature. In order to determine the temperature drift of the fluxgate sensor detectors in a wide temperature range,this paper has recorded the output curves of the magnetic sensor detectors with the temperature changing from -40 ℃ to 150 ℃. The curve is approximate linearity and the output is in direct proportion to the temperature. The drift is caused by the changing of the enamelled wire and the magnetic hysteresis loop. It compensates the temperature drifts with the method of least squares,which effectively eliminates the influence of temperature on the sensor detectors. The fluxgate sensor will be much more steady and universal with this study.

fluxgate sensor;temperature drift;temperature compensation;least squares

2014-07-29修改日期:2014-10-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.008

TP212.13

:A

:1004-1699(2014)11-1486-04